Elektromanyetik Radyasyon (EMR), aşağıdaki temsili görselde olduğu gibi dalga boylarına ve küçükten büyüğe doğru gamma ve X dalgaları, UV, görünür ışık (VL), infrared (IR), mikrodalgalar ve radyo dalgaları olarak tanımlanmıştır. Ancak, EMR spektral sınırlarının temsili resimde olduğu gibi keskin sınırlar ile ayrılamayacağı unutulmamalıdır. Bu radyasyonların fiziksel özellikleri ve biyolojik etkileri de keskin sınırlara sahip değil, hatta geçiş bantlarında iç içe geçmiş durumdadır. Örneğin, görünür ışınımın 400 nm dalga boyu ile UVA biyolojik etkileri iç içe geçmiş durumdadır. EMR'nin 10 nm-1 mm dalga boyu arasındaki ultraviyole + görünür ışık + infrared optik radyasyonu oluşturmakta ve buna ışık denilmektedir.

EMR kaynağının nerede ise tamamını güneşimiz oluşturmaktadır. Dünyadaki tüm biyolojik yaşam formları için olduğu kadar, insanlar üzerinde de EMR'nin biyolojik ve fiziksel etkileri bulunmaktadır. Vücut dış yüzeyimizi kaplayan derimiz üzerinde EMR'nin etkileri dermatolojik açıdan önemli, özellikle ışık bölümü. Optik ışınımın görünür ışık (VL) bölümünün ancak % 50'si dünya yüzeyine ulaşmaktadır. Ultraviyole radyasyonun (UVR) ise ancak % 5'i; hatta ekstrem UV (EUV) ve UVC atmosferimiz tarafından filtre edilerek yeryüzüne hiç ulaşamamaktadır. İnfrared radyasyonun (IR) ancak % 45'i yeryüzüne ulaşmaktadır.

Başlangıçta dikkatler UV radyasyona ve infared'e odaklanmışken, son yıllarda 400-700 nm dalga boylarındaki görünür ışınımın da önemi tartışılmaya başlanmıştır (Görünür ışınım(visible light, VL) denilmesinin nedeni görünür olması, yani insan gözünün bu dalga boylarını tanımlayabilmesidir).

Görünür Işınım (VL) kaynağı sadece gündüz güneşimizin yeryüzüne ulaşan EMR'si değil. Ayrıca, teknolojimiz ile geliştirdiğimiz VL kaynaklarını gece-gündüz kullanmaktayız. Lazerlerden halojen lambalara, LED’lerden ark-flaş lambalara, floresanlara kadar... Bu yapay VL kaynaklarını günlük hayatımızda aydınlatmadan, televizyon-telefon monitörlerine, tedavi amaçlı sağlık merkezleri ve evlerde kullanılan sistemlere kadar kullanmaktayız. Yani 24 saatlik yaşantımız boyunca güneşe ve yapay VL'ye maruz kalıyoruz.

VL ve deri arasındaki ilişkiyi daha iyi tanımlayabilmek için, VL, hatta ışık ile ilgili kullanılan genel fiziksel tanımlamaları deri örneğinden hatırlayalım:

• Işığın Dalga Boyu: Işık, basitçe dalga üzerinde hareket eden foton parçacıkları olarak tanımlanır ise, dalga boyu; ışınım dalgası üzerindeki fotonlar arasındaki mesafedir ve metrik birimi ile tanımlanır (örneğin 400 nm gibi).

• Işınım (Güç Yoğunluğu): Belli bir yüzey alan birimine ulaşan ışığın gücüdür (enerji/saniye) ve watt/m² birimi ile tanımlanır.

• Işığın Dozu: Belirli bir süre boyunca bir yüzey alan birimine ulaşan ışığın enerji miktarıdır ve Joule/m² birimi ile tanımlanır.

• Işığa Maruz Kalma Süresi: Derinin ışığa maruz kalma süresidir ve zaman birimi olan saniye ile tanımlanır.

• Işığın Pulse Süresi: Aralıklı (pulse) çalışan bir ışık kaynağında (flaş gibi) ışığın açık kaldığı süredir ve zaman birimi olan saniye ile tanımlanır.

• Işık Demetinin Çapı: Işığı farklı dalgalar üzerinde hareket eden foton demeti olarak düşünürsek, bu demetin çapıdır ve metrik birimi ile tanımlanır.

• Duty Cycle (Türkçeleştirmek anlamından çok uzaklaştırdığı için bu şekilde kullanıldı): Pulse çalışan bir ışık kaynağında belli bir zaman aralığı boyunca ne kadar aktif kaldığının yüzde değeridir ve zaman birimi yüzde ile tanımlanır.

• Parlaklık-Luminance (Tanımı tam parlaklık olmasa da): İnsanların göz algısı için tanımlanmıştır, ışığın yoğunluğudur ve Lux ile tanımlanır.

• Foton Akışı: Belli bir yüzeye belli bir zamanda ulaşan foton sayısı/yoğunluğudur ve foton/metre/saniye birimi ile tanımlanır.

• Işığın Coherence: Bir ışık demetindeki ışığın aynı dalga boyu ve enerjiye sahip olmasıdır.

• Işığın Kolimasyonu-Collimation: Bir ışık demetindeki ışık dalgalarının birbirine paralel seyretmesi durumudur.

Güneş kaynaklı EMR'nin atmosferimizdeki "güneş sabiti" olarak tanımlanan yoğunluğu 136mW/cm2'dir. Güneş sabitinin 53mW/cm2 kısmını VL oluşturmaktadır. Güneş sabitinin ancak 100mW/cm2 kadarı yeryüzüne ulaşmaktadır (yükseklik, zaman, atmosferik durumlar vb. bağlı olarak değişmektedir).

Dünya Sağlık Örgütü, insan göz ve deri sağlığı açısından ışığın 100mW/cm2 (lazer ve LED'ler gibi) yoğunluğunu zararlı bulmaktadır. Güneş kaynaklı VL bu sınırın altında kalmaktadır. Ancak problem, günlük hayatımızda ya da tedavi amaçlı kullandığımız VL'lerin ne kadar güvenli olduğudur.

Işık-deri ilişkisinde en önemlisi, ışığın deride ne kadar yol aldığı, ne kadar derine indiği, yani penetransıdır. Bunu biraz açıklayalım: VL, deri yüzeyine ulaştığında yaklaşık olarak % 4-7 kadarı deri yüzeyinden yansımaktadır (VL dalga boyu, deri pigmentasyonu ve yapısından bağımsız olarak). Geri kalan VL, deri içerisinde emilmekte, penetre olmakta ya da doku içerisinde dağılmaktadır. VL'nin deride emilimi, penetransı ve dağılımında rol oynayan yapıların başlıcaları keratin, kolajen, melanin ve hemoglobindir. Ayrıca deri yapısında bulunan çinko, iyon kanalları, NADH, bilirubin ve beta-karotenler (A vitamini öncülleri) aynı etkiyi göstermektedir.

Derinin epidermis ve dermis gibi yapısal farklılıkları olan katmanlarını düşündüğümüzde; VL fotonik saçılma, melanin yoğunluğundan dolayı en fazla epidermiste olmaktadır. Dermiste fotonik saçılmadan sorumlu olan ise kolajendir.

Deride VL fotonlarında emilim ve saçılım oluşmasına neden olan tüm yapılar "kromofor" olarak tanımlanmaktadır. Her kromofor, belli dalga boyunda VL'yi daha fazla emmekte ya da saçmaktadır. Ancak bu sırada kromoforda da değişim olmakta, ara ürünler ortaya çıkmakta hatta ikincil uyarılar gelişmektedir. Örneğin, sitokrom C oksidaz (COX) enzimi uygun dalga boyunda VL ile karşılaştığında reaktif oksijen türleri (ROS), serbest oksijen radikalleri, ATP, cAMP ve nitrik oksit ortaya çıkmaktadır. Bunlar deride inflamasyon, hücre çoğalması ve hücre onarımı gibi uyarılar demektir (Bu duruma fotobiyomodülasyon denir ve son yıllarda dermatolojik hastalıklarda VL ile yapılan fototerapilerin çıkış temelini oluşturmaktadır).

Fotobiyomodülasyonda ikinci düşünmemiz gereken, bunun hücre DNA'sına hasar verme riski, yani kanserojen ya da teratojen etkisidir. Yapılan çalışmalarda, DNA'nın VL için bir kromofor olmadığı (sadece UV için kromofor olduğu) gözlemlenmiştir. Bu nedenle VL'nin DNA'da etki göstererek siklobutan pirimidin dimerleri (CPD'ler) ve 6-4 fotoürünlerini ortaya çıkarmadığı gösterilmiştir. Ancak VL'nin DNA üzerinde direkt olmasa da, deride diğer kromoforlar üzerindeki etkileri ile sonuç olarak ortaya çıkan serbest oksijen radikalleri üzerinden olumsuz etki gösterebileceği unutulmamalıdır.

Epidermiste $st.\text{corneum’un}\%15-20$'sini, epidermis ve dermisin % 70-75'ini su oluşturmaktadır. VL su tarafından düşük absorbe edilmektedir (Su, infrared (IR) aralığındaki dalga boyu için, infrared terapi ve CO2​ lazer gibi, bir kromofordur).

VL'de fotonların deride penetrasyonunu etkileyen birinci faktör VL dalga boylarıdır. VL dalga boyu arttıkça penetrasyon derinliği artmaktadır. VL'nin enerjisi ile ters orantılıdır; yani enerji ne kadar fazla ise o kadar az penetrasyon olur. Örneğin, VL'nin mavisi kırmızıya göre daha yüksek enerji taşımakta ancak mavi deride kırmızıya göre daha az penetre olmaktadır. VL kırmızısı $6-50\text{mm}$ derine penetre olurken, mavisi $0.5-1\text{mm}$ derine penetre olabilmektedir. Bu penetrasyon derinliklerinde deri ölçülerine bakıldığında, epidermis $30-100\mu \text{m}$ kalınlığında, epidermis + dermis ise $0.5-6\text{mm}$ kalınlığındadır.  VL epidermisi tamamen ve tam olarak penetre eder, dermisi de tam olarak ancak kısmî penetre eder.

VL'nin deride emilimi ve penetrasyonu yukarıda tanımladığımız gibidir. Ancak deride ödem, eritem, pigmentasyon ve fibrozis gibi patolojiler olduğunda, bu daha fazla kromofor ve kromofor türünde değişim demektir; dolayısıyla VL'nin derideki davranışı değişecektir.

VL'nin deride penetrasyonunu etkileyen diğer bir faktör ışık demetinin çapıdır (beam width). Örneğin VL'de beam width $1\text{mm}$'den $5\text{mm}$'ye çıkarıldığında deride penetrasyon artmaktadır. Ancak çalışmalarda maksimum penetrasyon için maksimum beam width $10\text{mm}$ olarak değerlendirilmiştir. Bu sınırdan sonra beam width artsa bile penetrasyon değişmemektedir. Özetle, VL'nin deride penetrasyonu VL ışınım çapına ($beamwidth$), dalga boyuna ve gücüne bağlıdır.

VL'nin deriye uygulanabilirliği ve fotobiyomodülasyon etkileri için deride VL absorbsiyonunda rol alan kromoforları biraz açıklayalım.

Derinin VL ışınım dalga boyuna göre başlıca kromoforları melanin, hemoglobin ve heme ile opsin (OPN) fotoreseptörleridir. Her kromofor farklı dalga boylarındaki ışığı daha yoğun absorbe ettiği için hedeflenen kromofora spesifik dalga boyu ve pulse süreleri seçilerek maksimum etki sağlanabilir.

Kromofor tarafından ışığın emilimi, kromoforda ısının ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Eğer bu ısı, çevre dokulara hasar vermeden sadece kromoforda hasar oluşturursa, bu duruma seçici fototermoliz (selective photothermolysis) denir. Kromoforda ışığın seçici emilimi ile ortaya çıkan ısı, sadece ısı hasarı değil, aynı zamanda biyomodülasyon da yapabilmektedir. Burada tanımlanan pulse süresi önemlidir. Çünkü kromoforda ortaya çıkan ısı, çevre dokularda istenmeyen hasara neden olabilir. Bu hasarın oluşmaması için pulse süresi, kromoforda oluşan ısının yarı yarıya düşme süresi olan TRT (thermal relaxation time) süresinden kısa olmalıdır.

Fotobiyomodülasyonda derinin etkilenmesi ve gelişen sonuç süreçler biraz karışıktır. Burada hormetik paradigmadan bahsedilmektedir. Hormesis, kromoforda gelişen ısı değişimine karşı hücrenin veya organizmanın cevabının tek fazlı olmadığını, iki uçlu (bifazik) hatta çoklu (multifazik) olduğunu anlatır. VL, düşük enerjilerde dokularda uyarıcı etki gösterirken, yüksek enerjilerde baskılayıcı, yani dokuya hasar verici olmaktadır.

Her doku için, taşıdığı kromoforlara göre bir ışığın dokuda etki gösterebileceği "optik dalga boyu aralığı" tanımlanmıştır. Deri için bu aralık $600-1300\text{nm}$'dir. Bu aralıkta melanin, hemoglobin ve su tarafından emilim en düşüktür. VL'nin kırmızı bölümü ve IR ise deride sitokrom C oksidaz (COX) tarafından absorbe olmaktadır. Bu nedenle $600-1300\text{nm}$ aralığında deride ısı hasarı olmaksızın fotobiyomodülasyon gerçekleşmektedir.

Derimizde dihidroksifenilalaninden sarı-kırmızı renkte feomelanin ve siyah-kahverengi ömelanin yapılmaktadır. VL'nin mavi renk spektumu yüksek enerjilidir. Bu ışınım, keratinositlerde ve melanositlerde bulunan opsin 3 (OPN3) fotoreseptörleri üzerinde tirozinaz enzim aktivitesi ile melanosit yapımını uyarmaktadır. Bu uyarımda, kişinin derisindeki melanosit yoğunluğu (kişinin koyu tenli olması) önemlidir; çünkü mavi ışık açık tenlilerde melanosit artışına neden olmamaktadır.

Melanin

Melanin kromofor yapısındadır ve ışığın absorbsiyon spektrumu $200-900\text{nm}$ aralığındadır. Absorbsiyon daha fazla VL'nin kırmızı ışık tarafında ve IR aralığında daha yüksektir. Melaninde TRT $70-250\text{ns}$'dir. Bu bilgiler ışığında, melanosit kromoforlarına seçici ısı hasarı uygulanacak ise ışık dalga boyu uzun, pulse süresi piko saniye düzeyinde ve düşük enerjiler seçilmelidir. Örneğin, VL yerine IR spektrumunda $1064\text{nm}$ Nd:YAG lazer bu amaçla daha fazla tercih edilmelidir. UVA'ya maruz kalınması sonrası 3 saat IVB'ye maruz kalınmasından hemen sonra dokuda serbest oksijen ve nitrojen radikalleri ortaya çıkmaktadır. Bunların da DNA hasarı sonrası oluşan siklobutan pirimidin dimerleri (CPD'ler) yapımını sağladıkları gösterilmiştir. Melanosit taşıyan hücrelerin VL'ye maruz kaldıklarında serbest oksijen ve nitrojen radikallerine neden olduklarını biliyoruz ancak bu konuda bilimsel çalışmalar henüz yetersizdir.

Hemoglobin ve Heme

Eritrositlerde konsantre hemoglobinin ışığı absorbe etme pik spektrumları mavi ($418\text{nm}$), sarı ($542\text{nm}$) ve turuncu ($577\text{nm}$)'dur.

Hemoglobini oluşturan hemeler, tetrapirolin makromolekülleri olan porfirinlerden oluşmaktadır. Porfirinlerin ışığı absorbe etme pik spektrumları $400-405\text{nm}$'dir ve bu "Soret band" olarak bilinmektedir. $500-750\text{nm}$ aralığında ışığı absorbe etme özellikleri azalmaktadır.

Fotodinamik tedavilerin temel çalışma algoritması şöyledir: Porfirin öncüsü olan aminolevulinik asit gibi ışık duyarlandırıcı, derideki problemli alana uygulanır. Bunlar deri hücrelerinde birikerek protoporfirin IX'a dönüşür. Bu alana VL'nin mavi ve kırmızı ışığı (ışık kaynağı; LED, floresan ya da halojen lamba olabilir) uygulanır. Dokuda serbest oksijen ve nitrojen radikalleri oluşarak bunların hücrelerde sitolizis yapması hedeflenir.

Heme ve bakır içeren proteinden oluşan Sitokrom C Oksidaz (COX), hücrede mitokondrial elektron transferinden sorumludur ve heme'den dolayı VL'nin kırmızısını ve IR'ı absorbe etmektedir. Bu emilim, COX üzerinden mitokondri içerisinde ikincil habercilerin (ATP, ROS, cAMP, Ca2+ ve nitrik oksit) ortaya çıkmasıyla biyomodülasyon sağlamaktadır (gen yapımının değiştirilmesi, protein aktivitesi, inflamasyon ve metabolik değişiklikler gibi).

Opsinler

Opsinler fotoreseptörlerdir. OPN1 ve OPN2 gözde retinada yer alarak görme sinyalini yaratırlar. Ancak opsinler, deride melanosit, keratinosit, fibroblast ve saç foliküllerindeki kök hücrelerde de bulunmaktadır. Bunlar, ışığa göre vücut ritminden (sirkadiyen ritim), epidermal bariyer sisteminden ve melanogenezisten sorumludur. Özellikle VL'nin mavi spektrumu, OPN3 üzerinden koyu tenli kişilerde tirozinaz enzim aktivitesi ile melanogenezisten sorumludur.

 

VL Deri Reaksiyonları ve Deri Hastalıklarında Etkileri

Hiperpigmentasyon

VL'nin, özellikle UVA ile sinerjik etki göstererek deri pigmentasyonunu artırdığını biliyoruz. Bu nedenle, güneşten koruyucu içeriklerinin özellikle VL ve UVA1 spektrumunu kapsaması gerektiği düşünülmektedir.

% 97.5 VL, % 0.2 UVA ve % 0.8-2.4 IRA içeren geniş spektrumlu ışığın, 40−80J/cm2 yoğunlukta ve deri tipi III-VI olan koyu tenli kişilerde pigmentasyona neden olduğu ve bunun 2 hafta sürdüğü bilinmektedir. Bu, yaklaşık $15-30$ dakika güneş ışınımına eşittir.

VL pigmentasyon etkilerine bakıldığında:

• VL'nin mavi ışık spektrumu, 58±20J/cm2 enerjilerde deri tipi III ve IV olanlarda pigmentasyona neden olmuş ve bu 21 gün sürmüştür.

• VL'nin kırmızı ışık spektrumu, 320J/cm2 enerjilerde tüm deri tiplerinde pigmentasyona neden olmuş ve bu 1 hafta - 3 ay sürmüştür.

VL'nin bazal tabakadaki melaninin üst epidermiste dağılımını artırdığı ve koyu tenlilerde OPN3 üzerinden melanogenezise neden olduğu bilinmektedir.

Ayrıca, sarı ışığın 5−20J/cm2 enerji yoğunluğunda melanogenezisi baskıladığı gösterilmiştir.

Fotodermatozlar

Fotodermatozlardan asıl sorumlu ışık spektrumu UV aralığındadır (Fotodermatozlar, ışığın artırdığı immünolojik reaksiyonlar, deride endojen ya da eksojen maddelere karşı ışığın reaksiyonları, derinin ışık hasarını düzenleyememesi gibi süreçler ile oluşmaktadır). VL'nin solar ürtiker ve porfiria'da etkisi yüksek iken, polimorf ışık reaksiyonu ve kronik aktinik dermatitlerde etkinliği daha azdır.

Solar Ürtiker

Solar ürtiker, nadir görülen ve mast hücrelerinin rol oynadığı fotodermatozlar içerisinde yer almaktadır. Eritem, kaşıntı ve ürtiker klinik bulgular arasındadır. Solar ürtikerde fototest yapıldığında, olguların % 14-90'ında VL tek başına ya da VL + UVR birlikteliği görülmektedir. Solar ürtiker tedavisi oldukça zor olup, geniş koruma spektrumu olan "tinted" güneşten koruyucular kullanılmalıdır.

Porfirialar

Fototoksik ajanlar olan porfirinlerin birikmesi ile ortaya çıkan genetik hastalıklardır. Belirtiler, deride su toplamaları şeklinde belirtilerden karın ağrısı, kusma ve kalp çarpıntısına kadar değişkenlik gösterebilir. Porfiria tedavisinde güneşten korunma, alkol gibi artıran faktörlerden uzak kalma, düzenli kan aldırma, düşük doz klorokin kullanımı önerilmektedir. Son yıllarda melanosit uyarıcı hormon alfa MSH analoğu olan afamelanotid (Scenesse) kullanılmaktadır.

Polimorf Işık Reaksiyonu (PLE)

Sıklıkla immünolojik nedenler ile ortaya çıkmaktadır. Yoğun kaşıntılı iğne ucu boyutlarında küçük papüller, daha büyük veziküler, papüler, hemorajik, ekzematöz döküntüler oluşabilmektedir. Sıklıkla neden UVA, daha az neden UVB iken, VL'ye bağlı PLE gelişimi çok nadirdir.

Kronik Aktinik Dermatitis

Işığa uzun süre maruz kalınan yerlerde ekzematöz ve likenifiye lezyonların varlığı söz konusudur. 141−313J/cm2 enerjilerde VL deri reaksiyonları yapabilmekte ya da SLE gibi hastalıklarda kliniklerindeki deri belirtilerini alevlendirebilmektedir.

VL ve Fotomedikal Fototerapi

Işık kaynaklı dokuda ısı hasarı oluşturmadan fotobiyomodülasyon ile yapılan fototerapilerdir. Aşağıda yer alan birçok dermatolojik durumda kullanılmaktadır. VL ışık kaynağı olarak lazer, LED ve floresan kullanılmaktadır.

Akne

Aknenin hafif ve orta klinik tablosunda VL'nin mavi spektrumu (BL) ($400-445\text{nm}$ dalga boylarında) ve kırmızı spektrumu (RL) ($625-700\text{nm}$ dalga boylarında) kullanılmaktadır. Etki mekanizması; $Cutibacteriumacnes$ bakteri kolonizasyonunu, deri gözeneklerini ve inflamasyonu azaltarak etki göstermesidir.

Psoriasis

Klinik çalışmalar sıklıkla UVB ve UVA üzerinde olmakla birlikte, psoriasiste VL, özellikle BL ve RL kullanılabilmektedir.

Kronik Yaralarda İyileşme

Bilimsel çalışmalar, VL'nin RL spektrumunun yara iyileşme zamanını kısalttığını ve yaranın boyutunu azalttığını göstermektedir. Özellikle bu etki diyabetik ayak yaralarında etkili iken, venöz yetmezlik yaralarında etkili değildir.

Saç Uzaması

Klinik çalışmalar, VL'nin RL spektrumunun saç yoğunluğunu, anajen faza geçişi ve büyüme hızını artırdığını göstermiştir. Bu etkileri ile androjenetik alopeside kullanılmaktadır. VL'nin RL spektrumu ve near-IR fotobiyomodülasyon amaçlı 0.1−150J/cm2 enerjilerde saç uzamasının hızlandırılması için kullanılmaktadır.

Cilt Yenileme ve Gençleştirme

Deride Ca2+, nitrik oksit, matriks metalloproteinazlar ve kolajen üzerinde fotobiyomodülasyon ile VL'nin RL, BL ve sarı ışığı cilt gençleştirme amaçlı kullanılmıştır.

.